Observou-se no microscópio eletrónico de varrimento (MEV) a superfície de fratura de doze instrumentos testados, três de cada tamanho, sendo dois instrumentos do grupo A e um instrumento do grupo B.
Vão ser apresentadas as imagens obtidas no MEV, de um instrumento de cada tamanho, e efetuadas a suas análises. As restantes imagens foram colocadas no anexo C.
4.8.1.
Instrumento .04/20
Na figura 4.32 mostra-se uma vista lateral da superfície de fratura do instrumento .04/20_2, com duas ampliações diferentes. Nas figuras observam-se estrias resultantes do processo de fabrico, várias fendas nucleadas e propagadas segundo o Modo I, desgaste das aresta de corte (devido ao atrito entre a peça que simula o canal radicular e o instrumento) e algumas impurezas. Verifica-se que a nucleação e propagação de fendas por fadiga ocorreu segundo a direção das estrias de fabrico.
Na figura 4.33 (a) mostra-se uma vista geral da superfície de fratura e a figura 4.33 (b) apresenta um pormenor da mesma. A zona de propagação de fadiga apresenta um mecanismo de propagação maioritariamente transgranular. Observam-se estrias de fadiga na zona de propagação inicial e na zona onde ocorreu a fratura final verificou-se elevada plastificação com arrancamento os grãos. Assim como nas imagens anteriores, verifica-se um claro arredondamento das arestas de corte devido ao desgaste.
O detalhe indicado pela figura 4.33 (b) mostra uma diferença de altura na superfície de fratura o que sugere que ocorreu propagação de fendas de fadiga em planos diferentes e que coalesceram naquele ponto. Esta situação ocorreu com frequência nos ensaios realizados.
A figura 4.34 mostra uma vista de pormenor na superfície de fratura na zona de fadiga onde são visíveis bastantes vazios, inerentes ao processo de fabrico, e estrias de fadiga.
Figura 4.32: Vista lateral da superfície de fratura do instrumento .04/20_2.
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(b) (a)
Figura 4.33: Vista de frente da superfície de fratura do instrumento .04/20_2.
Figura 4.34: Detalhe da superfície de fratura na zona de arrancamento de grão, do instrumento .04/20_1.
Capítulo 4: Descrição dos ensaios experimentais e determinação da composição química
63
4.8.2.
Instrumento .06/20
As imagens (a) e (b), da figura 4.35, mostram as vistas laterais das superfícies de fratura dos instrumentos .06/20_2 (grupo A) e .06/20_16 (grupo B), respetivamente. Comparando as duas imagens, verifica-se a ocorrência de fissuração múltipla em ambos os instrumentos e a propagação preferencial segundo a direção das estrias de fabrico, em particular na figura 4.35 (a).
A figura 4.36 mostra a superfície de fratura do instrumento .06/20_2.
(b) (a)
Figura 4.35: Comparação das superfícies de fratura entre os instrumentos .06/20_2 (a) e .06/20_16 (b), dos grupos A e B, respetivamente.
64
4.8.3.
Instrumento .04/35
Nas imagens (a) e (b), da figura 4.37, apresenta-se a vista lateral da superfície de fratura do instrumento .04/35_2.
Tal como nos restantes instrumentos estudados, a nucleação e a propagação de fendas por fadiga têm a mesma direção das estrias originadas pelo processo de fabrico. Observa-se uma saliência, que é visível com maior detalhe da imagem (b) da figura 4.38, que foi originada pela propagação de fendas em planos diferentes e que coalesceram. Note-se, na imagem (a) da figura 4.38, que a fratura tem origem no canto superior direito em direção ao centro, seguido de fratura dúctil final.
(a) (b)
Figura 4.37: Vista lateral da superfície de fratura e propagação de fendas do instrumento .04/35_2.
(a) (b)
Capítulo 4: Descrição dos ensaios experimentais e determinação da composição química
65
4.8.4.
Instrumento .06/35
Nas imagens (a) e (b) da figura 4.39 mostra-se a superfície de fratura do instrumento .06/35_2, e um pormenor, respetivamente. Assim como nos restantes instrumentos a propagação da fenda ocorreu na direção das estrias resultantes do processo de fabrico. Observam-se também algumas fendas.
Analisando a figura 4.40, verifica-se que a fratura teve origem no canto superior direito, por fadiga, e que propagou em direção ao centro.
Na imagem (a) da figura 4.41 mostra-se, com grande ampliação, a zona de fratura final onde são visíveis bastantes vazios inerentes ao processo de fabrico e o arrancamento dos grãos do material. Na imagem (b), da mesma figura, observa-se a zona de fadiga, bastante mais uniforme e lisa do que a anterior, onde são visíveis as estrias de fadiga e alguns vazios.
(a) (b)
Figura 4.39: Vista perpendicular da superfície de fratura do instrumento .06/35_2 e seu detalhe.
66
(a) (b)
(b)
Capítulo 4: Descrição dos ensaios experimentais e determinação da composição química
67
4.9. Discussão de resultados
Analisando os dados obtidos, houve uma grande discrepância de resultados entre os instrumentos analisados, relativamente ao tempo de ensaio e número de ciclos à fadiga (NCF). As diferenças estão relacionadas com as variáveis associadas ao instrumento e as condições de teste, nomeadamente a conicidade, o diâmetro da ponta, a geometria do instrumento, a velocidade de rotação e o atrito entre o instrumento e a peça que simula o canal radicular.
A velocidade de rotação dos instrumentos desempenhou um papel fundamental no tempo de vida dos mesmos; no entanto, o número de ciclos à fadiga foi bastante próximo. Avaliando os resultados médios de NCF e do tempo de ensaio, da tabela 4.5, entre instrumentos do mesmo tamanho, mas de grupos diferentes, verifica-se que os instrumentos obtiveram valores bastante próximos de NCF, mas o dobro do tempo de ensaio. Como a velocidade de rotação do grupo B é metade do grupo A, e número de ciclos à fadiga foi o mesmo, o tempo de ensaio do grupo B tem de ser o dobro do grupo A. Assim, pode afirmar-se que o que influencia e causa a fratura dos instrumentos não é o tempo de ensaio, mas sim o número de ciclos.
Não foi determinada a influência da velocidade de rotação no desempenho de corte do instrumento; por isso, não é claro qual a melhor velocidade de rotação a utilizar numa situação clínica.
Comparando os resultados dos valores médios de NCF e da duração de ensaio verifica- se que os instrumentos com menor diâmetro de ponta e com maior conicidade apresentam um tempo de ensaio superior aos restantes. Uma possível explicação pode ser o fato de que, ao conterem menos material, a probabilidade de existirem defeitos do material seja menor e a probabilidade de terem um maior tempo de vida à fadiga é maior. Analisando os resultados da análise de probabilidade de fratura observa-se que os instrumentos de maior diâmetro têm uma maior probabilidade de fratura, resultados que estão de acordo com a hipótese acima mencionada.
Apesar das condições de teste (raio e ângulo de curvatura) serem as mesmas, não é possível afirmar que o nível de carregamento local a que os instrumentos que encontram sujeitos sejam os mesmos uma vez que o acabamento superficial dos instrumentos era diferente; para além do referido, devido ao número de entradas diferentes dos instrumentos ensaiados, a área das secções resistentes onde foi verificada a fratura era diferente.
Não obstante, os valores calculados para a amplitude máxima de deformação na zona de fratura são próximos entre si, tendo o instrumento .06/20 o menor valor, o que pode explicar o maior número de ciclos à fadiga. Os valores de tensão calculados são bastante próximos entre cada instrumento e não se verifica uma grande disparidade entre os resultados do
SolidWorks Simulation e o Ansys. Analisada a distância entre o encastramento do instrumento
e a superfície de fratura, observa-se que, de um modo geral, os instrumentos fraturaram na zona central da curvatura.
Os valores extensão obtidos através das simulações numéricas dos instrumentos modelados são bastante próximos dos valores calculados através de fórmula analítica. Os valores máximos de tensão e extensão calculados foram de 376 MPa, no instrumento .04/20, e de 7,6%, de extensão, respetivamente.
68
Quando o instrumento é sujeito à flexão as fibras da parte interior da curvatura são sujeitas a esforços de compressão, enquanto que as fibras da parte exterior estão sujeitas a esforços de tração. Durante uma utilização clinica existe uma alternância de esforços de tração/compressão em cada ponto, visto que o instrumento se encontra em rotação; o gráfico da figura 4.42 ilustra essa variação ao longo de um ciclo de carregamento.
Figura 4.42: Variação de esforços das fibras externas de um instrumento em rotação.
Pela observação das distribuições de tensão e extensão, verifica-se que a zona de maiores esforços, onde a tensão e extensão são mais elevados, é na zona de curvatura final do instrumento. Contudo, dever-se-ia aumentar o nível de refinamento junto dos nós onde o deslocamento foi imposto, principalmente onde foi máximo (próximo do fim da zona de curvatura do instrumento), de modo a diminuir o efeito de singularidade introduzido pela carga concentrada).
Comparando os cálculos analíticos e numéricos verifica-se que os valores de extensão estão de acordo. Nos valores de tensão, calculados de forma analítica, não foi tida em consideração a ocorrência da não linearidade devida às grandes deformadas associadas à utilização dos instrumentos nas condições definidas nos ensaios.
Observando as imagens das superfícies de fratura dos instrumentos obtidas no MEV, verifica-se que o modo de fratura é igual em todos os instrumentos observados. Identificam-se duas zonas distintas, uma correspondente à zona de propagação da fenda por fadiga no material, com o mecanismo de propagação maioritariamente transgranular, e uma zona de elevada plastificação, com arrancamento dos grãos, na zona da fratura final. Observa-se que a nucleação e a propagação de fendas por fadiga ocorreram preferencialmente segundo a direção das estrias inerentes ao processo de fabrico dos instrumentos.
Em alguns acasos ocorreu propagação de fendas em mais do que um plano, as quais coalesceram, gerando superfícies de fratura com depressões e/ou saliências. Em todas as superfícies de fratura são visíveis vazios resultantes do processo de fabrico, os quais também influenciam a vida à fadiga dos instrumentos.
Variação de esforços, de uma fibra extrema, de um
instrumento em rotação
Compressão Tração
Capítulo 4: Descrição dos ensaios experimentais e determinação da composição química
69
A tabela 4.11 compara os resultados experimentais obtidos nesta dissertação e no estudo realizado por Shen et al. [18].
Tabela 4.11: Comparação de resultados experimentais obtidos nesta dissertação e os resultados obtidos no estudo realizado por Shen et al. [18].
Instrumento Tamanho Velocidade rotação [r.p.m.] NCF médio
Profile .04/25 300 486 Typhoon 376 Typhoon CM 1340 NEYY 329 NEYY CM 2629 Hyflex .04/20 500 1540 250 3304 .06/20 500 3181 250 4184 .04/35 500 746 250 1033 .06/35 500 856 250 983
As condições de teste, nomeadamente o raio e ângulo de curvatura, são iguais em ambos os estudos. No entanto, podem existir algumas diferenças devidas à afinação dos instrumentos na montagem experimental. A designação CM nos instrumentos analisados por Shen et al., indica que o instrumento tem memória de forma.
Observa-se que os instrumentos Hyflex analisados nesta dissertação, de tamanhos .04/20 e .06/20, têm um desempenho superior aos restantes instrumentos estudados em [11]. As diferenças são mais acentuadas em relação aos instrumentos que não possuem memória de forma.
Os instrumentos Hyflex de tamanhos .04/35 e .06/35 têm um desempenho ligeiramente inferior aos instrumentos com memória de forma TYP CM e NEYY CM, mas bastante superior aos restantes.
Analisando e comparando os resultados, pode afirmar-se que os tratamentos térmicos da nova geração de instrumentos de Ni-Ti da Hyflex conferem aos mesmos melhores propriedades mecânicas, nomeadamente maior flexibilidade e maior resistência à fadiga.
Verificou-se uma grande diferença de resultados entre instrumentos com memória de forma e os instrumentos sem esta caraterística. Observa-se que a resistência à fadiga dos instrumentos Hyflex é superior aos restantes instrumentos com memória de forma analisados por Shen et al. porque, segundo o fabricante (Coltene), os mesmos são sujeitos a vários tipos de tratamentos térmicos, mas não revelando o seu processo de fabrico.
Devido à frequente fratura deste tipo de instrumentos numa utilização clínica, a nova geração de instrumentos é uma excelente mais valia na redução das mesmas. A utilização dos mesmos permite uma maior segurança, no sentido de evitar a fratura do instrumento dentro do canal radicular; maior controlo e eficácia de tratamento, visto serem mais flexíveis, permitindo uma limpeza mais eficaz em canais muito curvos e um maior número de utilizações, devido à sua maior resistência à fadiga e capacidade de retomar a forma original.
71
Capítulo 5
Conclusões e Desenvolvimentos
Futuros
O tamanho e a velocidade de rotação desempenham um papel fundamental na vida à fadiga dos instrumentos endodônticos. A vida à fadiga aumenta com a diminuição da velocidade de rotação e a diminuição do valor do diâmetro dos instrumentos. No entanto, verificou-se que a fratura de instrumentos com o mesmo tamanho deu-se aproximadamente com o mesmo número que ciclos, o que indica que o fator preponderante é o número de revoluções e não o tempo de ensaio.
Os instrumentos de menor diâmetro de ponta e maior conicidade apresentaram uma resistência à fadiga superior aos restantes. O facto de terem um menor diâmetro, logo com menor material, faz com que a probabilidade de existirem defeitos do material seja menor, hipótese suportada pelos gráficos de probabilidade de fratura.
Existem outros fatores que influenciam a resistência à fadiga dos instrumentos, entre eles: a seção transversal, o acabamento superficial, o nível de carregamento e a presença de defeitos. Esta dissertação apenas teve como objeto de estudo uma condição específica de teste e, por isso, não é possível avaliar a influência destes fatores na vida à fadiga dos instrumentos.
A análise das superfícies de fratura dos instrumentos no MEV, revelou, em todas as superfícies observadas, o mesmo mecanismo de fratura. O mecanismo de propagação é maioritariamente transgranular e observam-se duas zonas distintas: uma correspondente à propagação de fendas por fadiga, com origem nas fibras externas, propagadas segundo a direção das estrias introduzidas durante o fabrico em direção ao centro e uma segunda zona, de fratura final, com elevada plastificação e arrancamento dos grãos.
Comparando os resultados obtidos nesta dissertação com os resultados obtidos no estudo de Shen et al. [18] verifica-se que os instrumentos que possuem memória de forma têm uma vida à fadiga bastante superior que os restantes. Comparando os instrumentos Hyflex com os instrumentos com memória de forma do estudo de Shen et al. conclui-se que, de um modo geral, os instrumentos Hyflex têm uma maior resistência à fadiga, logo um tempo de ensaio maior, tal como o fabricante dos mesmos afirma.
Futuramente deverá ser analisada a eficiência de corte entre os grupos A e B, de modo a determinar qual a melhor relação entre a velocidade de rotação e o tempo de ensaio. Devem ser analisados os fatores que influenciam a fratura dos instrumentos, nomeadamente a seção transversal, o acabamento superficial, o nível de carregamento e a presença de defeitos.
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